楊烈君，吳玉芹，陳楊

寧德師范學院計算機系，福建寧德352100

一種數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的研究

楊烈君，吳玉芹，陳楊

寧德師范學院計算機系，福建寧德352100

提出了一種新的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)——軟件定義存儲系統(tǒng)（SDS）的改進實施方案.基于一種虛擬化的存儲方式可以自動分配存儲、安全、網(wǎng)絡等資源，并將這些資源池化，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)保護、復制、壓縮等一系列存儲功能.與傳統(tǒng)的DAS和SAN系統(tǒng)的存儲模式的存儲性能進行了比較，結果表明該系統(tǒng)對于小容量的數(shù)據(jù)存儲，存儲速率略高其他存儲方式；對大容量數(shù)據(jù)存儲性能與吞吐量優(yōu)化效果明顯，當數(shù)據(jù)塊容量達5 Tbit時，其存儲速率超過SAN存儲系統(tǒng)約3.9倍.

數(shù)據(jù)存儲；軟件定義存儲；存儲性能

1 引言

云計算目前受到業(yè)界越來越多的關注，他是一種新興的計算模式.在云存儲由概念變成了具有巨大商業(yè)價值的實際應用后其存儲的安全性問題卻一直沒有得到有效的解決，好的數(shù)據(jù)存儲方式不僅可以提高存儲性能，更重要的是它也應該能保障數(shù)據(jù)存儲的安全.如亞馬遜是國外著名的云服務提供商，把安全性看成云存儲服務中最重要的一部分，他們根據(jù)安全性制定了一系列安全方案，其中提出的最典型的云存儲應用是S3（Simple Storage Service），S3特別強調(diào)存儲的安全機制，用戶可以根據(jù)自己的意愿選擇誰訪問他的數(shù)據(jù)，用戶可以自由控制這一操作，選擇什么時候給予訪問，訪問什么類型的數(shù)據(jù)等，這些都在用戶的控制之內(nèi)［1］.中國電信云計算公司作為國內(nèi)首家具有服務級別的云計算公司也提出“寬帶入戶，云服務到家；終端在手，云服務隨身”.的口號，這樣一個理念可以看出云服務占主要位置，但他們在提供云服務時都面臨數(shù)據(jù)安全問題的困擾.

云存儲受到的安全威脅可能來自訪問控制，也可能來自數(shù)據(jù)傳輸、安全漏洞和數(shù)據(jù)所存在的物理位置等方方面面，所以如何保證各方面的安全性，是云存儲現(xiàn)在首要完成的任務.在一項研究中表明，數(shù)據(jù)安全是所有安全問題的核心，數(shù)據(jù)安全也是用戶最關注的焦點.不難理解，當今是數(shù)據(jù)的時代，擁有數(shù)據(jù)就相當于擁有一切，對數(shù)據(jù)的保護尤為重要，對數(shù)據(jù)的泄漏和惡意修改將給企業(yè)帶來巨大損失.由此可見數(shù)據(jù)安全性也將是云存儲技術一直而且以后長期要關注的課題之一，而在大數(shù)據(jù)時代，傳統(tǒng)存儲模式已經(jīng)不能適應現(xiàn)在的潮流滿足數(shù)據(jù)安全的需求，因此軟件定義存儲（Software Defined Storage，簡稱SDS）應用而生，軟件定義存儲（SDS）以其靈活性和高擴展性被云存儲服務提供商所重視并憑借其所具有的巨大優(yōu)勢將逐漸超越傳統(tǒng)的存儲模式［2］.

2 傳統(tǒng)存儲模式的弊端

傳統(tǒng)的存儲架構如磁盤、DAS、SAN模式是現(xiàn)在大多數(shù)廠家提供的存儲模式，是基數(shù)最大的存儲模式［3］.可是隨著時代的發(fā)展，數(shù)據(jù)的幾何式增長，傳統(tǒng)的存儲模式因為存儲容量的不足而飽受詬病.一方面，數(shù)據(jù)是要永久保存的，將一直占有空間；另一方面，數(shù)據(jù)是持續(xù)增加的.這種形勢下，用戶必須增大容量來存放自己所需的數(shù)據(jù)；磁盤和DAS架構的固有容量自不必說，SAN的擴容必須配有機頭，導致數(shù)據(jù)的增長，這種存儲模式性能降低.而且，增大的容量又使成本增加，這種成本的增加將是持續(xù)性的，是一個無底洞.傳統(tǒng)存儲模式的數(shù)據(jù)冗余也是一大問題，很多沒用的重復的數(shù)據(jù)占據(jù)了磁盤大量的容量，有用的數(shù)據(jù)寥寥可數(shù)，數(shù)據(jù)的存儲效率低下［4］.

3 軟件定義存儲原理

軟件定義存儲（SDS）是一種數(shù)據(jù)存儲方式，所有存儲相關的控制工作都僅在相對于物理存儲硬件的外部軟件中.如何理解呢？簡單來說，SDS是用來存儲的，是存儲的一種方式.什么是軟件，用戶和硬件之間的接口界面就是軟件.單純從字義上理解，軟件比硬件更具靈活性.SDS就是把控制平面單獨抽離出來，放在軟件上實現(xiàn)這些存儲功能的一種數(shù)據(jù)存儲方式［5］.

SDS的核心是存儲虛擬化，在一定程度上SDS可以認為就是存儲虛擬化.SDS可以自動分配存儲、安全、網(wǎng)絡等資源，將這些資源池化，并且API來提供給消費者一個友好的用戶界面，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)保護、復制、壓縮等一系列存儲功能，這些功能都是依靠軟件來控制的，SDS的解決方案，用戶在不增加任何工作量的情況下進行縱向擴展或橫向擴展［6］.2012年8月盛大云因一臺物理服務器磁盤發(fā)生損壞導致一些用戶的數(shù)據(jù)丟失，原因是沒有備份.要是當時采用的是SDS這種存儲方式的話，也許就不會出現(xiàn)這種問題從而避免損失.

軟件定義存儲（SDS）的定義出現(xiàn)至今已將近三年，但目前仍然沒有一致的意見，所有研究機構和各大廠商，他們對軟件定義存儲有著不同的定義或描述.但作為數(shù)據(jù)存儲領域的權威全球網(wǎng)絡存儲工業(yè)協(xié)會（SNIA）則認為SDS應允許異構的或者專有的平臺，并且平臺能夠提供管理和部署其虛擬存儲空間的自助服務接口.除此，SDS還包括以下特征：

1）自動化的標準即為管理比較簡化，維護存儲架構的成本也降低；

2）標準接口指對于部署、管理、維護存儲服務和存儲設備，并且能夠提供良好的應用編程接口；

3）擴展性即提供可靠性和性能的無縫擴展，其中無需中斷應用；

4）虛擬數(shù)據(jù)路徑即可以提供文件、塊和對象的接口，又能夠支持這些接口寫入數(shù)據(jù)；

存儲系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心也可以為數(shù)據(jù)管理員都能用于部署和控制路徑服務［3］.軟件定義存儲包括控制路徑和數(shù)據(jù)路徑，影響到所有存放在相應虛擬存儲空間的數(shù)據(jù)，而軟件定義存儲SDS則通過以下路徑實現(xiàn)存儲控制：

步驟1：確定存儲需求，設計一種存儲解決方案的第一步是確定您的工作負載（應用程序、服務器和客戶端），然后確定存儲需求.

步驟2：檢查的設計，并根據(jù)需要進行調(diào)整，完成步驟1和軟件定義存儲設計中的任務，將獲取您的硬件和軟件的建議的設計.

步驟3：使用存儲空間的硬件供應商以最終確定設計.

步驟4：準備部署解決方案.

具體方案如下：在交換機啟動時進行初始化將交換機的轉(zhuǎn)發(fā)緩存空間置空，為交換機設置緩存閥值，用于檢測交換機數(shù)據(jù)處理狀況.當交換機收到數(shù)據(jù)分組時，先將數(shù)據(jù)分組放入到轉(zhuǎn)發(fā)緩存中，然后判斷交換機轉(zhuǎn)發(fā)緩存是否達到閥值，如果沒有達到閥值，則直接在緩存中等待處理，匹配流表，執(zhí)行相應的Action.當緩存中的數(shù)據(jù)達到閥值時，則發(fā)送達到閥值的信息告訴控制器，控制器收到消息后，對經(jīng)過該交換機的數(shù)據(jù)分組重新進行路由選擇，有其它路徑的就按照新路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)；對于沒有其它路徑的數(shù)據(jù)分組，則將數(shù)據(jù)暫時還存在其下一跳交換機中，通知源節(jié)點對必須通過該路徑的數(shù)據(jù)分組進行延遲發(fā)送，等待節(jié)點擁塞解決然后再重新進行發(fā)送.控制器調(diào)取所有連接到它的交換機的緩存狀況，將還有足夠緩存空間的所有相鄰交換機的信息封裝到流表中，對交換機下發(fā)流表，讓出現(xiàn)擁塞的交換機把緩存中的數(shù)據(jù)分組，平均分配發(fā)送到可以代為緩存的交換機中.數(shù)據(jù)分組到達相鄰交換機后，為數(shù)據(jù)分組重現(xiàn)計算路由，有可用路徑的則代為轉(zhuǎn)發(fā)，反之，就放入緩存中，等待出現(xiàn)擁塞的交換機恢復正常.如果相鄰交換機中都有足夠的緩存空間，則優(yōu)先將數(shù)據(jù)分組進行二次轉(zhuǎn)發(fā)到下一級相鄰交換機，執(zhí)行上述操作.擁塞解決后，交換機發(fā)送擁塞已解決的信息到控制器，控制器對全網(wǎng)交換機發(fā)出通知信息，將暫存在相鄰交換機中的數(shù)據(jù)分組取回重新進行發(fā)送同時暫停發(fā)送的數(shù)據(jù)分組繼續(xù)發(fā)送過來.如圖1所示.

圖1 實現(xiàn)的方案Fig.1Implementation of the program

4 軟件定義存儲的優(yōu)勢

軟件定義存儲（SDS）之所以被云存儲服務提供商所重視并逐漸超越傳統(tǒng)的存儲模式正是由于其相對于傳統(tǒng)存儲方式具有眾多的優(yōu)勢，下面將對軟件定義存儲的主要優(yōu)勢進行初步分析.

4.1 數(shù)據(jù)處理的實時性

企業(yè)可以從數(shù)據(jù)中獲得新的資料情報，從而獲得新商機，所以，能否即時訪問數(shù)據(jù)成為企業(yè)找到商機的重要因素.現(xiàn)在的存儲對資源的訪問提出更大的需求.顯然，以硬件為中心的傳統(tǒng)方式無法實現(xiàn)這一功能，缺乏靈活性.隨著用戶需求的提高，硬件定義存儲呈現(xiàn)出了諸多弊端.要想實現(xiàn)更多功能，硬件必須更新?lián)Q代，專門制造根據(jù)用戶需要的產(chǎn)品，否則缺乏靈活性.而且生產(chǎn)出來的產(chǎn)品有了一些小問題，就得回爐重造，成本和效率得不到提升是可以預見的［7］.SDS就沒有這種擔憂，它可以根據(jù)用戶的需求專門定制一套服務.當用戶要求增加某項服務和功能時，只需要在架構的系統(tǒng)中動刀就可以了，實現(xiàn)了高擴展性，這是傳統(tǒng)存儲架構所欠缺的［8］.

4.2 低成本

以前的存儲功能相對固化，大多數(shù)存儲功能都集中在硬件上，造成了想要某一種存儲設備必須從特定的廠商購買，成本自然高［9］.值得注意的是，軟件定義存儲的出現(xiàn)，讓用戶不必從特定廠商購買存儲介質(zhì).也就打斷了這些廠商的壟斷，它可以架構在任何類型的服務器硬件上.也就是說，它創(chuàng)建于該硬盤，但可以使用在其他硬盤上，SDS更像是一個系統(tǒng).就像手機App一樣，任何手機通過下載都能夠得到這款應用程序，不是誰創(chuàng)建了它就專屬誰.所以買了SDS等同于買了特定存儲設備，這是一個巨大的進步［10］.SDS的最大成本就在于它的架構及其管理，沒有了特定廠商的壟斷，成本自然降低.

4.3 高靈活性

SDS可以在硬件上運行，同樣可以運行在云存儲的架構中，它可以存在于云存儲服務中作為云存儲的一部分［11］.雖然SDS是將控制平面單獨分離出來的，但是它擁有硬件應該有的所有存儲功能，這點是最重要的.那么，使用SDS架構的云存儲，SDS將為用戶處理大部分網(wǎng)絡管理工作，因為SDS可以自動分配這些工作.提高存儲的使用率. SDS的靈活性和擴展性將為云存儲如虎添翼［12］.

5 實驗模擬

5.1 實驗環(huán)境

網(wǎng)絡環(huán)境的搭建方案［13］：

1）硬件平臺是PC物理機一臺；

2）在PC物理機上安裝VMware Workstation 12.1.0；

3）在VMware中創(chuàng)建Ubuntu 14.04虛擬機［14］；

4）在Ubuntu中配置安裝IOMeter.

在實驗中主機上采用Iometer對遠端的邏輯盤進行測評，選用5個數(shù)據(jù)量不同的樣本，分別為5 Mbit，50 Mbit，500 Mbit，5 Gbit和5 Tbit這5個容量.分析三種網(wǎng)絡存儲方式在不同數(shù)據(jù)量下存儲效率的表現(xiàn)，如圖2所示.為了更精確比較這三種方式，做出以下規(guī)定：

1）對于每個數(shù)據(jù)量，三種存儲方式在相同時間內(nèi)測試存儲速率；

2）每個數(shù)據(jù)量測試兩組，取平均值（四舍五入）；

3）除了存儲方式與數(shù)據(jù)量的不同，其他無關變量盡量避免.

圖2 不同存儲結構在不同數(shù)據(jù)塊下的存儲速率Fig.2Storage rates of different storage structures under different data blocks

5.2 實驗分析

從圖2可以直觀地看出，軟件定義存儲性能優(yōu)于其他存儲結構：

1）在小容量的數(shù)據(jù)塊中，軟件定義存儲的存儲速率跟SAN存儲結構是差不多的，DAS存儲結構次之.

2）隨著數(shù)據(jù)塊容量增大，軟件定義存儲沒有令人失望，雖然三者的處理能力都有了下降，可是軟件定義存儲還是遙遙領先，三者之間的差距越來越明顯.軟件定義存儲的存儲性能明顯優(yōu)于SAN存儲結構與DAS存儲結構.

3）在數(shù)據(jù)量達到5 Tbit的時候，三種存儲結構下降的幅度都很明顯，DAS存儲結構甚至達到了不能處理的情況，SAN存儲雖然能夠處理，相對于軟件定義存儲它的存儲速度就有點脫節(jié)了.

分析比較之后可以看出，在信息量少的處理中，三種存儲結構都可以駕馭.所以DAS存儲更適合處理信息量少的數(shù)據(jù)，比如小型數(shù)字視頻監(jiān)控項目，DAS的缺點這么明顯，它的優(yōu)點也是顯而易見的，結構簡單，成本廉價是DAS存儲的優(yōu)勢［15］；SAN存儲結構的存儲性能還是比較優(yōu)秀的，擴容能力較強，是一種比較優(yōu)秀的存儲方式.可是面對大數(shù)據(jù)時代，它的優(yōu)勢就不能很好地展現(xiàn)了，它更適用于SQL數(shù)據(jù)庫；軟件定義存儲在系統(tǒng)軟件的修改方面實現(xiàn)用戶提出的新功能，在處理超大數(shù)據(jù)時達到78 Mbit/s的存儲速率，約為傳統(tǒng)SAN存儲技術的3.9倍，這些優(yōu)勢將極大的推動云存儲的進一步發(fā)展.對于超大數(shù)據(jù)還是需要軟件定義存儲來勝任，其作為一種新的存儲方式，它表現(xiàn)出強大的性能，可以較好的應對大數(shù)據(jù)時代發(fā)出的挑戰(zhàn).

6 結語

以上介紹了軟件定義存儲這種新的數(shù)據(jù)存儲方式，將它與現(xiàn)有的幾種存儲方式的各種參數(shù)進行對比分析，展示其優(yōu)勢.然后通過實驗模擬將它與其他存儲結構進行性能對比，從嚴謹?shù)膶嶒炛凶C明軟件定義存儲的存儲性能優(yōu)于傳統(tǒng)的大多數(shù)網(wǎng)絡存儲結構.這種新的存儲方式具有一定的優(yōu)勢，在大數(shù)據(jù)時代將發(fā)揮它的作用.本文沒有對軟件定義存儲能自定義分配存儲資源這一特點進行分析，后續(xù)的研究可對軟件定義存儲如何自定義分配存儲資源進行深入研究，進而為存儲的安全問題提供有效的解決方案，進一步完善存儲技術，一個安全可靠的存儲服務將會使用戶用得更安心更放心.

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本文編輯：陳小平

Study on a Data Storage System

YANG Liejun，WU Yuqin，CHEN Yang
Computer Department，Ningde Normal University，Ningde 352100，China

This paper proposes a new data storage system named an improved implementation of Software Definition Storage System（SDS），which can automatically allocate storage，security，network and other resources on basis of a virtualized storage mode.The system can also pool these resources to achieve data protection，replication，compression and other storage functions.By comparing storage performance of SDS with traditional Direct-Attached Storage and Storage Area Network（SAN）storage models，the storage rate of SDS is slightly higher than that of other storage systems for small-capacity data storage，and the SDS has obvious advantages in the storage performance and throughput optimization for large-capacity data storage.The storage rate of SDS is 3.9 times as much as that of SAN when the capacity amounts to 5 Tbits.

data storage；software defined storage；storage performance

TM344.1

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.018

1674-2869（2016）06-0611-05

2016-10-10

福建省自然科學基金項目（2015J01660）；福建省中青年教師教育科研項目（JAT160538）；寧德師范學院服務寧德項目（2013F30）

楊烈君，碩士，講師.E-mail：slocky@126.com